楊有維 代俊安 何挺 劉明星

【摘? 要】屏蔽是抑制電磁干擾的有效方法之一，不僅對輻射干擾有良好的抑制效果，而且對包括靜電干擾，容性耦合和感性耦合在內(nèi)的傳導干擾也具有明顯的抑制效果，是實現(xiàn)電子設備的電磁兼容特性的重要手段之一。影響屏蔽體屏蔽效能的主要因素包括屏蔽體上的散熱孔陣、縫隙和觀測窗口，本文然后利用電磁仿真軟件對具有一般特點的屏蔽箱體進行了建模和仿真計算，計算了屏蔽體諧振效應對屏蔽效能的影響，定量分析了屏蔽體散熱孔陣、縫隙和觀察窗口對屏蔽效能的比例關(guān)系，并計算了屏蔽效能隨關(guān)鍵參數(shù)變化的規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】屏蔽箱體;全局屏蔽效能;諧振

ABSTRACT： Shielding is one of the efficient methods to suppress electromagnetic interference. As a key approach to achieve electromagnetic compatibility， it has obvious resistibility not only to the radiated interference， but also to the electronic statistic discharge， capacitive and inductive coupling. The main factors that affect the shielding effectiveness include cooling hole array， slot and the observation window on the shielding enclosure. In this paper， a shielding box with general characteristic was modeled in the electromagnetic simulation software. The resonance of the box and its effect were analyzed， and one key parameter of hole array， slot and window is analyzed quantitatively for its influence to the shielding effectiveness.

KEYWORDS：Shielding box; global shielding effectiveness （GSE）; resonance

引言

由于各種工業(yè)設施帶來的電磁干擾日益嚴重，對電子產(chǎn)品的可靠性提出了更高的要求。箱體結(jié)構(gòu)是核電廠電子設備的常見形式，箱體結(jié)構(gòu)的設計不僅要提供必要的物理支撐、安全隔離和美觀效果外，還常常起到電磁屏蔽體的作用。使用密閉結(jié)構(gòu)件可以有效隔離惡劣的電磁環(huán)境，降低對電子元器件應用等級的要求，與此同時還具有良好的抗振動沖擊能力，對于延長電子設備的使用壽命，降低故障發(fā)生率具有重要的作用。

屏蔽通常是指將電子產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部分完全封閉的金屬外殼。屏蔽一方面是為了防止產(chǎn)品外的電子電路或部分電子電路輻射發(fā)射到產(chǎn)品邊緣外面，另一方面是為了仿真外部的輻射發(fā)射耦合到產(chǎn)品內(nèi)部的電子電路。與此同時，對屏蔽體屏蔽效能的預測也變得越來越重要。

屏蔽體電磁屏蔽特性設計的關(guān)鍵是保證屏蔽體的導電連續(xù)性，即整個屏蔽體應該是一個完整的、連續(xù)的導電體。完全密封的良導體無疑會起到良好的屏蔽作用，但實際中不可避免地存在為了通風散熱和觀測目的開的孔、洞，包括顯示窗口、操作器件的開口、通風口等;結(jié)構(gòu)件的設計必然會有活動面板，活動面板與其它部分之間形成了縫隙，結(jié)構(gòu)件之間加工和裝配也不可避免地存在縫隙。屏蔽體設計的重點就是在保證結(jié)構(gòu)件美觀、散熱、可維護性的同時，盡量提高屏蔽體的屏蔽效能。

屏蔽體的屏蔽效能通常是由反射損耗、吸收損耗和再反射損耗三部分組成，電磁屏蔽的性能一般以屏蔽效能（SE：Shielding Effectiveness）度量，其定義為：在距源給定觀測點，沒有屏蔽體時的場強E1與有屏蔽體后的場強E2之比。

目前對于屏蔽等電磁兼容問題的方法主要包括以下幾種方法：理論解析、數(shù)值仿真和試驗測試。解析算法基于電磁場理論，對設備的幾何模型、邊界條件等進行簡化和等效，經(jīng)計算后得到近似解，但其適用條件比較苛刻，只適合模型比較簡單的情況;數(shù)值仿真則線設置相應的邊界和約束條件，將包含計算模型的空間劃分為諸多計算網(wǎng)格，分別對每個網(wǎng)格內(nèi)的電磁場進行精確計算，從而可以得到設備的電磁兼容特性;試驗方法根據(jù)屏蔽效能的定義和各類標準定義的測試方法進行測試。

對屏蔽體屏蔽效能已經(jīng)有大量的研究工作：Li Bin等采用了理論解析算法計算了相鄰兩個面帶有散熱孔陣的矩形腔體的屏蔽效能;H. Herlemann采用GTEM暗室測量了屏蔽效能;Li Min等基于時域有限差分法（FDTD）和試驗方法得到了在拐角處存在縫隙屏蔽體的屏蔽效能;Robinson等采用理論方法計算了帶縫屏蔽體的屏蔽效能;Zdenek. K等采用數(shù)值仿真（FEM）和試驗方法對比了帶孔屏蔽體的屏蔽效能;Krzysztofik等考慮了屏蔽體電磁諧振對屏蔽效能的影響。但同時定量地考慮屏蔽體各因素和變化規(guī)律的卻鮮見報道。

本文基于仿真軟件建立了包含孔、縫、窗口三種電不連續(xù)因素的矩形箱式屏蔽體，采用全局屏蔽效能抵消大量觀測點的影響，采用特殊的模型設置方法計算了單個情況下的全局屏蔽效能，從而得到各個因素對屏蔽效能影響的大小，并對每個因素的關(guān)鍵參數(shù)進行了掃描，得到了單個因素情況下全局屏蔽效能對各自因素變化的規(guī)律，對電子設備機箱的設計具有一定的指導意義。

1.模型設置

本文分析的屏蔽體為長寬高為Lx×Ly×Lz矩形箱體結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示，整個屏蔽體造成電磁泄漏的地方主要有三處：第一處是箱體前面板上的通風散熱孔陣，如圖1（b）所示，第二處是前面板與箱體之間的縫隙，如圖1（c）所示，第三處是箱體前面板用于顯示或觀測的窗口，如圖1（d）所示。通風散熱孔陣由兩部分組成，前面板上為5行12列的孔陣，側(cè)面板5行6列的孔陣，單個孔半徑為r，孔的深度為壁厚度d，相鄰兩個孔的間距為D;前面板和側(cè)面板與其他結(jié)構(gòu)體之間形成了三條縫隙，縫隙寬度為w，為了保持導電連續(xù)性，縫隙處添加了尺寸為w×w，導電率為σ的壓接材料;前面板上的觀測窗口長寬分別為w1和w2，厚度與壁厚度相同，窗口材料的相對介電常數(shù)為，磁導率為。

在機柜仿真模型內(nèi)部關(guān)注的位置放置大量探針，獲取探針點位的場強，在仿真模型中入射波為1V/m的均勻平面波，根據(jù)屏蔽體內(nèi)部探針位置場強直接得到箱體的屏蔽效能。機柜各部分的尺寸和材料參數(shù)設置如表1所示。

2.數(shù)值模擬與分析

影響屏蔽體的屏蔽效能的因素眾多，與外部干擾源、內(nèi)部觀測點、屏蔽體的結(jié)構(gòu)、電磁參數(shù)都有關(guān)系，這為描述屏蔽效能帶來了較多變量。為了消除外部干擾源的影響，統(tǒng)一采用幅值為1V/m的均勻平面波，則觀測到的各點的幅值（用dBV/m表示）的負值即對應屏蔽體的屏蔽效能;從理論上講，屏蔽體內(nèi)部觀測點的個數(shù)是無窮的，為了消除觀測點的影響，我們借鑒了全局屏蔽效能（Global Shielding Effectiveness， GSE）的評估方式，全局屏蔽效能采用對屏蔽體內(nèi)大量觀測點求平均的方式評估機柜整體的屏蔽效能，以電場為例，全局屏蔽效能的定義為：

2.1箱體諧振特性

屏蔽體的諧振特性會影響其屏蔽效能，一般而言，有屏蔽體時的場比沒有時要弱，但是由于諧振特性的存在，在某些頻點觀測點的場甚至比沒有屏蔽體時還要強，導致屏蔽效能為負。對于幾何尺寸為Lx×Ly×Lz（單位m）的長方體或箱體，其諧振頻率為

2.2總體屏蔽效能

本文中分別計算了四種情況下屏蔽體內(nèi)的全局屏蔽效能：同時考慮孔陣、縫隙、窗口的影響;只考慮孔陣的影響;只考慮縫隙的影響;只考慮窗口的影響。當只考慮一種情況的影響時，其它影響因素則設置為理想導體。計算結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出：當孔陣、縫隙、窗口均存在時，箱體全局屏蔽效能的最小值只有約20 dB;而且由于箱體存在諧振，在一系列諧振頻點上四種情況的屏蔽效能都被不同程度地削弱;在目前的參數(shù)配置下，只考慮孔陣的屏蔽效能與同時考慮孔陣、縫隙、窗口影響的結(jié)果最接近，說明此時由于孔陣導致的電磁泄漏是最大的，窗口次之，縫隙的電磁泄漏最小。

從圖3可以看出，當孔陣、縫隙、窗口均存在時，在屏蔽體的諧振頻率電，屏蔽效能明顯降低，圖中幾個屏蔽效能突降的頻點與前面諧振點的計算結(jié)果是一致的。

圖4展示了在非諧振頻點5 GHz和諧振頻點9 GHz處屏蔽體內(nèi)各觀測點的屏蔽效能，圖中的三維坐標對應著屏蔽體內(nèi)觀測點的位置，圖中實心球的顏色代表了屏蔽效能的大小，從紅色到藍色由低到高，兩幅圖的屏蔽效能的相對大小不同。從圖中可以看出，諧振頻點處各點的屏蔽效能較非諧振頻點弱很多，閾值范圍從42 dB～78.4 dB降低到了15 dB～48 dB;與此同時，由于紅色代表屏蔽效能低藍色代表屏蔽效能高，在屏蔽體更“居中”的位置屏蔽效能更低，屏蔽效能與距離屏蔽體壁的距離存在著反比關(guān)系。

2.3通風散熱孔的影響

出于實際原因，在很多情況下屏蔽體開孔是不可避免的，通常的原因是用于內(nèi)部器件的散熱。一般而言，多而小的孔更有利于提高屏蔽體的屏蔽效能，這里我們主要考慮散熱孔半徑對屏蔽效能的影響。

在觀測的頻率范圍0 GHz到25 GHz內(nèi)，通風散熱孔的半徑從0.2 mm增大到0.9 mm，步長為0.1 mm，圖5展示了屏蔽體全局屏蔽效能的變化。從圖中可以看出：隨著孔徑的增大，屏蔽體屏蔽效能急速降低，從四十多dB貝降低到了十幾dB;與此同時，隨著孔徑的增大，屏蔽體的諧振特性也隨之改變，品質(zhì)因數(shù)的降低導致諧振點峰值的減弱，相對而言，整個頻段的屏蔽效能曲線變得更加平滑。

2.4縫隙的影響

當電磁波入射到電子設備上時，在屏蔽體上將會感應出感應電流，若設備縫隙處不存在接縫，則感應電流在整個屏蔽體上是連續(xù)的，幾乎所有的電磁波均被吸收和反射，顯然，這樣的機箱將提供很好的屏蔽，但由于設備結(jié)構(gòu)及功能要求，不可避免地會產(chǎn)生導電不連續(xù)性，導致電磁耦合，降低了屏蔽體的屏蔽效能。為此，在屏蔽體縫隙處加入電磁屏蔽襯墊，盡量保持兩個界面的導電連續(xù)性，能夠有效地提高屏蔽體的屏蔽效能。

當有門板等存在時，門的四周不可避免地存在著縫隙，縫隙的作用類似于天線，即使縫隙很小，其產(chǎn)生的電磁輻射也可能相當大，縫隙的泄露程度通常用轉(zhuǎn)移阻抗來衡量，轉(zhuǎn)移阻抗越小，屏蔽效能越好。而金屬壓接的導電率與轉(zhuǎn)移阻抗密切相關(guān)。

本文分析了縫隙材料不同導電率情況下屏蔽體全局屏蔽效能的變化，觀測的頻率范圍0 GHz到25 GHz，縫隙材料的導電率從1到10000。

從圖6中可以看出，隨著縫隙材料導電率的增加，縫隙的轉(zhuǎn)移阻抗隨之減小，對應著屏蔽體屏蔽效能的增加。但在本文的情況中，由于縫隙的長度較短，故其導致的泄露不是減弱屏蔽體屏蔽效能的主要原因，即使縫隙的導電率降低到接近于零，屏蔽體依然保持了至少50dB的屏蔽效能。

2.5窗口的影響

有時為了方便觀測屏蔽體內(nèi)部的情況，在屏蔽體上開窗口是不可避免的，窗口的材料一般具有透光、平整的特點，而且一般是絕緣體。由于窗口材料的相對磁導率一般為1，故本文著重分析窗口材料介電常數(shù)的變化對屏蔽體屏蔽效能的影響，計算結(jié)果如圖 所示，窗口材料的相對介電常數(shù)從1變化到5，觀測頻率范圍從0 GHz到25 GHz。從圖7中可以看出：在現(xiàn)有窗口介電常數(shù)的變化范圍內(nèi)，窗口的介電常數(shù)對屏蔽體的總體屏蔽效能幾乎沒有影響;屏蔽體的屏蔽效能只隨著頻率的增加而降低，在高頻段降低到20～30 dB，這是因為窗口的存在類似于一個大的矩形波導，截止頻率很低，高頻信號很容易進入屏蔽體內(nèi)部。

3.結(jié)論

本文對箱體的屏蔽效能進行了建模和仿真，箱體的屏蔽模型主要考慮了通風散熱孔陣、縫隙和窗口三個因素，結(jié)合屏蔽體電磁諧振對屏蔽效能的影響，定量地計算了三個因素單獨存在時的屏蔽效能，計算結(jié)果表明：在諧振點屏蔽體的屏蔽效能會大大減弱，與此同時，在本文給定的尺寸和電氣參數(shù)下，散熱孔陣造成的電磁泄漏時最主要的。對于散熱孔陣而言，屏蔽效能與孔的半徑成反比，在保證一定通風散熱面積的情況下，一般會選擇多而小的孔?？p隙的存在對于屏蔽體類似于天線，縫隙對于屏蔽體的屏蔽效能主要取決于縫隙的導電率，分析了屏蔽體全局屏蔽效能隨縫隙導電率的變化。針對屏蔽體上的觀測窗口，主要考慮了介電常數(shù)對屏蔽效能的影響，計算結(jié)果表明，窗口介電常數(shù)對全局屏蔽效能影響沒有影響。

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作者簡介：楊有維（1989-），男（漢族），四川省達州市人，博士研究生，主要研究領(lǐng)域為核電廠儀控系統(tǒng)電磁兼容仿真研究。

作者簡介：代俊安（1994-），男，漢族，四川宜賓人，學士，主要研究領(lǐng)域為核電廠儀控系統(tǒng)機械設計及制造。

何挺（1992-），男，漢族，四川巴中人，學士，主要研究領(lǐng)域為核電廠儀控系統(tǒng)模擬及數(shù)字電路設計。

劉明星（1986-），男，漢族，四川達州人，碩士研究生，核動力研究設計院儀控中心研發(fā)部部長，主要研究領(lǐng)域為核電廠儀控系統(tǒng)系統(tǒng)設計。